Ионно-плазменные методы обработки поверхностей деталей летательных аппаратов (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

Р. Х. САЙДАХМЕДОВ

ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

ТАШКЕНТ 2005

. Ионно-плазменные методы обработки поверхностей деталей летательных аппаратов: Учеб. пособие. Ташкент, ТГАИ, 2005. 38с.

В пособии изложены современные методы упрочнения деталей летательных аппаратов ионно-плазменными методами.

Рассмотрены вопросы практического применения ионно-плазменных методов формирования покрытий и обработки поверхностей деталей летательных аппаратов с исследованием методом магнетронного распыления, ионного осаждения и вакуумно-дугового метода.

Учебное пособие предназначено для магистрантов, обучающихся по специальности «Технология производства летательных аппаратов». Может быть полезным специалистам заводов, НИИ и аспирантам вузов.

Табл.-11, ил.-11, библиогр. – 41 назв.

Рецензенты:

старший научный сотрудник лаборатории «Ионного воздействия на поверхность материалов» НПО «Академприбор» к. т.н.

Зав. кафедры ТПДЛА проф.

 

Ташкентский государственный авиационный институт, 2005

Утверждено методическим советом ТГАИ 9 июня 2005 г.

Сайдахмедов Равшан Халходжаевич

Ионно-плазменные методы обработки поверхностей деталей летательных аппаратов.

Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 2,5. Тираж 50.

Типография ТГАИ

ул. Шахрисабз, 25

Ташкент, 700047

ВВЕДЕНИЕ

Проблема надежности авиационной техники на современном этапе развития авиационной промышленности неразрывно связана с обеспечением безопасности полетов и постоянно приобретает все большую актуальность. Надежность авиационной техники закладывается при проектировании, отрабатывается на стадии доводки, обеспечивается в производстве, ремонте и при эксплуатации.

Безопасность летательных аппаратов, как правило, связана с надежностью работы деталей и узлов. С повышением силовых нагрузок, температуры и усилением агрессивности рабочей среды ужесточаются требования, предъявляемые к деталям, узлов летательных аппаратов (ЛА) и двигателей. Усложнились условия работы различных пар трения в узлах летательных аппаратов, функционирующих в условиях знакопеременных нагрузок. В большинстве случаев именно поверхностный слой деталей определяет эффективность протекания рабочего процесса в изделии. Все большее число деталей проектируется с переменным полем свойств по их сечению, когда необходимыми, требуемыми свойствами обладает только поверхностный слой.

Для упрочнения, восстановления деталей ЛА и двигателей применяют различные прогрессивные методы: электроннолучевые, лазерные, плазменные, ионно-плазменные, гальванические и другие.

Создание защитных покрытий на поверхности деталей летательных аппаратов с требуемыми свойствами видится в настоящее время экономически приемлемым решением проблемы сочетания высокой конструктивной прочности и надежности материалов деталей и особенно их поверхности со способностью противостоять внешнему воздействию.

В настоящее время на основе совершенствования и развития новых технологий, в частности ионно-плазменных, на первый план при проектировании и изготовлении деталей ЛА выдвигаются вопросы формирования и исследования поверхностного слоя.

Другой важной задачей является упрочнение, восстановление деталей и узлов уже при эксплуатации и в ремонте ЛА.

Многолетний опыт ремонта и эксплуатации авиационной техники показал, что большинство неисправностей и отказов возникает вследствие недопустимого большого износа деталей и узлов, обусловленного повреждением поверхностей трения (известно, что 80% отказов машин происходит в результате поверхностного разрушения и прежде всего износа). Большинство деталей авиационной техники восстанавливается различными технологическими методами. Однако значительная их часть бракуется по причине повышенного износа и отсутствием технологии на их восстановление. Задача расширения номенклатуры восстанавливаемых деталей авиационной техники вызывает необходимость внедрения в практику новых и совершенствования существующих методов поверхностного упрочнения, нанесения износостойких покрытий, которые резко увеличивают усталостную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материалов деталей ЛА.

В настоящее время задача изношенных деталей летательных аппаратов решается за счет замены новой деталью, что является дорогостоящим процессом, а применение технологии восстановления и упрочнения увеличит срок их службы.

Настоящее пособие, посвященное ионно-плазменным методам обработки поверхности в производстве ЛА является попыткой дать студентам, магистрантам и молодым специалистам необходимый объем знаний в области прогрессивных технологий воздействия на поверхность.

Ионно-плазменные методы обладают уникальными возможностями получения поверхностных слоев на деталях машин. Эти методы отличает техническая стерильность и экологическая чистота, они позволяют в широких пределах управлять структурой и свойствами поверхностных слоев деталей машин. Данные возможности открываются благодаря тому, что формирование покрытий и модификация поверхности осуществляются из газовой (паровой) и плазменной фаз одновременно. Наличие заряженных частиц (ионов) представляет дополнительные возможности по управлению энергией частиц, приходящих на обрабатываемую поверхность, как в устройстве, генерирующем ионы - за счет теплового воздействия, электрических и магнитных полей, так и на подложке - за счет, потенциала, приложенного к подложке (потенциал смещения) и управляющего скоростями ионов.

В настоящем пособии, подробно рассмотрены возможности ионного распыления, магнетронных распылительных устройств, вакуумно-дуговых устройств (ионно-плазменные методы) ионное осаждение в достижении требуемых свойств поверхностных слоев, приведены примеры построения технологических процессов с использованием этих методов, даны эксплуатационные и физико-химические характеристики получаемых поверхностных слоев. Рассмотрено влияние нестехиометрии на физико-химические свойства покрытий. Выбор этих методов и особое внимание к ним в пособии связаны с тем, что технологические установки, использующие эти методы, имеют промышленное или полупромышленное применение и используются в производстве летательных аппаратов.

Глава 1. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

Методы ионного распыления заключаются в бомбардировке ионами газоразрядной плазмы мишени из наносимого материала и осаждении распыленных частиц на поверхности изделий. Системы распыления можно классифицировать по количеству электродов (диодные, триодные, тетродные), исходя из используемого напряжения (постоянное, высокочастотное), и наличию или отсутствию потенциала на подложке (со смещением, без смещения). Для формирования покрытий из химических соединений (нитридов, карбидов и т. д.) применяют мишень из этого соединения или из металла-основы соединения и в этом случае в качестве рабочего газа используют смесь аргона с газом реагентом (азотом, ацетиленом, метаном и др.) при соответствующем парциальном давлении этих газов.

В наиболее простом случае система распыления состоит из двух электродов, помещенных в вакуумную камеру (рис. 1). Распыляемую мишень 1 располагают на катоде, а на другом электроде, на расстоянии в несколько сантиметров от катода устанавливают изделия (подложки). Между двумя электродами поддерживается самостоятельный тлеющий разряд газа на постоянном или высокочастотном токе. Атомы мишени, распыленные ионами газа, направляются к подложке и, осаждаясь на ней, образуют покрытие.

Скорость осаждения в этом случае составляет менее 10 мкм/ч, причем при строго параллельном расположении мишени и подложки и расстоянии между ними в пределах 50 мм. В более совершенных системах катодного распыления (триодных, пентодных) можно снизить рабочее давление инертного газа до 10-3– 10-4 мм. рт. ст. при достаточной скорости распыления.

Ионное травление аргоном подложки перед осаждением позволяет произвести предварительную обработку поверхности, тем самым повысив адгезию покрытия к основе.

Если при нанесении покрытия к подложке прикладывают отрицательное напряжение (распыление со смещением) порядка 100 В, то возрастает адгезионная связь покрытия с подложкой. Повышение потенциала активирует протекание реакции взаимодействия атомов металла и газа.

Сравнительно высокая энергия осаждаемых частиц (на порядок выше, чем при термическом, т. е. 2,0 – 20 эВ при термическом испарении), некоторая их ионизация при прохождении через плазму и предварительная очистка изделий обеспечивают хорошую адгезию покрытий независимо от температуры подложки при осаждении. Но в некоторых работах отмечается, что этим методом не всегда можно добиться адгезии, которая необходима для покрытий на машиностроительных деталях [26].

Усовершенствование катодных распылительных систем позволило создать так называемые магнетронные распылительные системы [27, 28]. Главный отличительный признак магнетронных систем – наличие под мишенями магнитов, создающих прочное магнитное поле над мишенью. В результате образуются кольцеобразная замкнутая зона в скрещенных электрических и магнитных полях, локализующих разрядную плазму в прикатодной области. Это дает возможность существенно увеличить степень ионизации плазмы, а следовательно, плотность ионного тока на мишени, благодаря чему скорость распыления в магнетронных системах в несколько десятков раз превышает скорость распыления в традиционных распылительных системах и приближается к скорости термического испарения. Энергия осаждаемых частиц находится в пределах 2 – 20 эВ и зависит, прежде всего от атомной массы осаждаемого вещества, расстояния источник-подложка, давления и электрических параметров разряда. С учетом дополнительных тепловых и др. воздействий на подложку среднюю энергию осаждаемых частиц можно приравнять к 10 – 100 эВ.